温度变送器的设计【字数：14708】
本课题所做的是基于工业生产来设计的温度变送器，采用单片机进行数据处理，其具有通信接口和标准电流输出，兼顾两种方式的优点，用于现场测温过程控制。本课题设计制作的温度变送器，由测温传感器为核心的采集模块将温度信号转换为微弱电压信号后，经过信号放大模块放大再送模数转换模块，转换得到的数字量送微处理器，进行线性化处理。处理后的数字量经过D/A转换模块输出模拟电压值，送V/I转换模块来实现标准电流输出的目的。另外，还需要将线性化处理后的温度信号经过串口总线的方式传输到二次仪器上。该温度变送器，体积小、精度较好，能初步满足一些工业现场测温所要求达到的要求。
目录
1. 绪论 1
1.1 温度变送器的研究目的与意义 1
1.2 温度变送器的研究基础与现状 1
1.3 温度变送器的发展趋势 2
1.4 研究的主要内容 3
1.5 章节安排 3
2. 温度变送器的系统设计 4
2.1 设计要求 4
2.2 方案设计与论证 4
2.2.1 测温传感器的选择 4
2.2.2 信号采集模块 4
2.2.3 信号放大模块 5
2.2.4 V/I转换模块 6
2.3 系统设计总体结构与框架 6
3. 温度变送器的硬件设计 8
3.1 微控制器电路的设计与原理 8
3.2 信号采集与放大电路 8
3.3 D/A转换模块电路 12
3.4 V/I转换模块电路 12
3.5 通信接口与下位机地址设置电路 13
3.6 电源管理模块 14
4. 温度变送器的软件的设计与说明 15
4.1 单片机主程序 15
4.2 数据处理程序 15
4.2.1 A/D转换 16
4.2.2 数据处理 17
4.2.3 采集转换 18
4.3 中断处理程序 18
4.3 D/A转换程序 19
4.4 基于Modbus协议的RS485串口通信程序 20
5. 温度变送器的系统调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
25
5.1 系统调试 25
5.2系统测试 25
结语 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
绪论
1.1 温度变送器的研究目的与意义
在人类的工业生产中，温度的检测与控制无时无刻不在扮演着重要的角色，温度值是工业生产中一个重要的工艺参数。一个系统的运行很大程度上会受到温度值的影响，一般工业生产中的机器设备等，都会有其工作环境温度的规定范围，因此，如何实现温度的测量，然后在此基础上做相应的地可靠控制，将关系到系统的运行状况，对工业生产有着十分重要的意义。随着科学技术的不断进步，温度变送器在炼金、钢铁、玻璃制造等场所，都需要对环境的温度进行实时地监测，并且其对精度、体积等都提出了更高的要求，因此设计更加优良的温度变送器的意义重大。
1.2 温度变送器的研究基础与现状
温度变送器是当今工业生产过程中一个必不可少的自动化检测装备，随着时代的发展以及科技水平的进步，其也得到了十足的发展。和当今的智能化温度变送器相比较，以往的传统型的温度变送器劣势十分的明显，已经无法满足当今的工业现场测温要求。
对于大多数模拟的温度变送器来说其组成部分都是分立元件，并且存在较大的温漂，与此同时由于热电阻自身还存在非线性的特性，所以在后期要对其进行非线性处理，但是模拟原件在处理的时候会有一些问题，所以对精度的要求不能太高，但是随着工业技术的不断进步，工业需求不断提高，以前的模拟温度变送器就已经无法满足工业需求了，所以智能型的变送器就被人们开发出来了[1]。 在温度变送器设计中，对于测温范围方面，在保证能够满足一般要求情况下，需要选择合适的传感器来匹配。按照材料来分的话，一般市场上有热电偶和热电阻两大类来进行选择。按照使用方法进行分类可分为两大类分别是接触式和非接触式，传感器的使用需要就工作环境等因素来选型。
现如今，智能温度变送器的研究关键在于能够实现远距离传输和精度较为准确以及需要相应的通信接口方案。对于传输信号类型，根据实际的工业生产的现场需求，设计出输出标准信号的变送器最为迫切。这样设计的目的在于方便和二次仪器或者后续的接口电路相互兼容，输出的标准信号中，模拟型信号最为常见，这包括电压型和电流型两种，电压型的输出为0~5V，虽然其在信号处理方面具有优势，但是抗干扰能力差[2]。就工业上远距离传输信号的需求，故而采用电流型的传输方式来实现信号的传输，将温度信号线性地变换为直流标准输出信号，这种方式的抗干扰效果也较为出色。在电流型传输方式中，又有0~20mA和4~20mA常见的两种，对于0~20mA这一种变送器而言，其优点是电路的调试及其数据处理方面相比较于4~20mA的变送器是较为简单的。然而工业上多选择4~20mA的变送器，因为工业上的电流环标准的下限为4mA，所以在电流量程范围内，至少要达到4mA，又考虑到工业现场的对安全性的要求，量程范围的上限选择不会引起电火花的20mA最为妥当，因此4~20mA输出的变送器使用更为普遍。
在考虑温度变送器的精度时，需要了解传感器引线的方式。根据传感器的引线的数量可以分为两线制、三线制和四线制三种形式。所谓线制是指温度变送器的电源线和输出线的总根数，国外由于是420mA信号制而采用二线制，我国由于还存在010mA信号制，需要三线制或者四线制，所以我国二、三、四线制制式同时存在[3]。二线制最为简单，其一般适合用于对测量精度要求不高的工业测温环境中。三线制是工业领域中使用最为常见的，这是基于此类接线方式能够很好地消除引线电阻的对测量精度的干扰与影响。四线制一般用于对测量精度要求及其严苛的工业现场，如航天工业。针对本次设计而言三线制就完全够用，所以在设计过程中采用三线制的方式。以上的引线方式的传感器常常采用电桥法测量。
温度变送器广泛用于工业中需要测温的场合，其软硬件设计已经十分成熟，基于低功耗单片机的两线制热电阻温度变送器较为常见。将符合设计要求的测温传感器接入到能够有效消除一定干扰从而提高测量精度的电路中，对温度信号进行采集，然后采用放大器电路对前一级的采集信号进行放大处理，再由模数转换芯片将模拟量信号转换成数字量送微控制器进行数据处理，以实现测量线性化的目的[4]。就最终需要实现电流信号的传输，对转换后的数字量还得由数模转换芯片来转换为电压模拟量，再将电压模拟量送V/I转换模块来转换成4mA~20mA电流信号。测温信号送仪表显示，这其中会涉及到总线传输的问题，市场上有RS232总线和RS485总线较为常见。
目录
1. 绪论 1
1.1 温度变送器的研究目的与意义 1
1.2 温度变送器的研究基础与现状 1
1.3 温度变送器的发展趋势 2
1.4 研究的主要内容 3
1.5 章节安排 3
2. 温度变送器的系统设计 4
2.1 设计要求 4
2.2 方案设计与论证 4
2.2.1 测温传感器的选择 4
2.2.2 信号采集模块 4
2.2.3 信号放大模块 5
2.2.4 V/I转换模块 6
2.3 系统设计总体结构与框架 6
3. 温度变送器的硬件设计 8
3.1 微控制器电路的设计与原理 8
3.2 信号采集与放大电路 8
3.3 D/A转换模块电路 12
3.4 V/I转换模块电路 12
3.5 通信接口与下位机地址设置电路 13
3.6 电源管理模块 14
4. 温度变送器的软件的设计与说明 15
4.1 单片机主程序 15
4.2 数据处理程序 15
4.2.1 A/D转换 16
4.2.2 数据处理 17
4.2.3 采集转换 18
4.3 中断处理程序 18
4.3 D/A转换程序 19
4.4 基于Modbus协议的RS485串口通信程序 20
5. 温度变送器的系统调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
25
5.1 系统调试 25
5.2系统测试 25
结语 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
绪论
1.1 温度变送器的研究目的与意义
在人类的工业生产中，温度的检测与控制无时无刻不在扮演着重要的角色，温度值是工业生产中一个重要的工艺参数。一个系统的运行很大程度上会受到温度值的影响，一般工业生产中的机器设备等，都会有其工作环境温度的规定范围，因此，如何实现温度的测量，然后在此基础上做相应的地可靠控制，将关系到系统的运行状况，对工业生产有着十分重要的意义。随着科学技术的不断进步，温度变送器在炼金、钢铁、玻璃制造等场所，都需要对环境的温度进行实时地监测，并且其对精度、体积等都提出了更高的要求，因此设计更加优良的温度变送器的意义重大。
1.2 温度变送器的研究基础与现状
温度变送器是当今工业生产过程中一个必不可少的自动化检测装备，随着时代的发展以及科技水平的进步，其也得到了十足的发展。和当今的智能化温度变送器相比较，以往的传统型的温度变送器劣势十分的明显，已经无法满足当今的工业现场测温要求。
对于大多数模拟的温度变送器来说其组成部分都是分立元件，并且存在较大的温漂，与此同时由于热电阻自身还存在非线性的特性，所以在后期要对其进行非线性处理，但是模拟原件在处理的时候会有一些问题，所以对精度的要求不能太高，但是随着工业技术的不断进步，工业需求不断提高，以前的模拟温度变送器就已经无法满足工业需求了，所以智能型的变送器就被人们开发出来了[1]。 在温度变送器设计中，对于测温范围方面，在保证能够满足一般要求情况下，需要选择合适的传感器来匹配。按照材料来分的话，一般市场上有热电偶和热电阻两大类来进行选择。按照使用方法进行分类可分为两大类分别是接触式和非接触式，传感器的使用需要就工作环境等因素来选型。
现如今，智能温度变送器的研究关键在于能够实现远距离传输和精度较为准确以及需要相应的通信接口方案。对于传输信号类型，根据实际的工业生产的现场需求，设计出输出标准信号的变送器最为迫切。这样设计的目的在于方便和二次仪器或者后续的接口电路相互兼容，输出的标准信号中，模拟型信号最为常见，这包括电压型和电流型两种，电压型的输出为0~5V，虽然其在信号处理方面具有优势，但是抗干扰能力差[2]。就工业上远距离传输信号的需求，故而采用电流型的传输方式来实现信号的传输，将温度信号线性地变换为直流标准输出信号，这种方式的抗干扰效果也较为出色。在电流型传输方式中，又有0~20mA和4~20mA常见的两种，对于0~20mA这一种变送器而言，其优点是电路的调试及其数据处理方面相比较于4~20mA的变送器是较为简单的。然而工业上多选择4~20mA的变送器，因为工业上的电流环标准的下限为4mA，所以在电流量程范围内，至少要达到4mA，又考虑到工业现场的对安全性的要求，量程范围的上限选择不会引起电火花的20mA最为妥当，因此4~20mA输出的变送器使用更为普遍。
在考虑温度变送器的精度时，需要了解传感器引线的方式。根据传感器的引线的数量可以分为两线制、三线制和四线制三种形式。所谓线制是指温度变送器的电源线和输出线的总根数，国外由于是420mA信号制而采用二线制，我国由于还存在010mA信号制，需要三线制或者四线制，所以我国二、三、四线制制式同时存在[3]。二线制最为简单，其一般适合用于对测量精度要求不高的工业测温环境中。三线制是工业领域中使用最为常见的，这是基于此类接线方式能够很好地消除引线电阻的对测量精度的干扰与影响。四线制一般用于对测量精度要求及其严苛的工业现场，如航天工业。针对本次设计而言三线制就完全够用，所以在设计过程中采用三线制的方式。以上的引线方式的传感器常常采用电桥法测量。
温度变送器广泛用于工业中需要测温的场合，其软硬件设计已经十分成熟，基于低功耗单片机的两线制热电阻温度变送器较为常见。将符合设计要求的测温传感器接入到能够有效消除一定干扰从而提高测量精度的电路中，对温度信号进行采集，然后采用放大器电路对前一级的采集信号进行放大处理，再由模数转换芯片将模拟量信号转换成数字量送微控制器进行数据处理，以实现测量线性化的目的[4]。就最终需要实现电流信号的传输，对转换后的数字量还得由数模转换芯片来转换为电压模拟量，再将电压模拟量送V/I转换模块来转换成4mA~20mA电流信号。测温信号送仪表显示，这其中会涉及到总线传输的问题，市场上有RS232总线和RS485总线较为常见。
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